JPWO2005116722A1

JPWO2005116722A1 - 画像表示装置

Info

Publication number: JPWO2005116722A1
Application number: JP2006513888A
Authority: JP
Inventors: 知彦服部
Original assignee: Arisawa Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Arisawa Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2008-04-03
Also published as: TW200609532A; US20070222954A1; WO2005116722A1

Abstract

透過型画像表示板に表示された画像を投影する手段として、点光源を観察者の瞳に結像させる結像部材を設けた画像表示装置において、構成簡単に観察者の移動に追随させることである。点光源１２０を面方向に多数分散配置してアレイ状とした点光源アレイ１２を設け、観察者が移動しても瞳位置で結像する点光源１２０が隣の点光源１２０に移動していくようにする。点光源アレイ１２から結像部材１３までの距離に対する、相隣れる点光源１２０の間隔の比率が、結像部材１３から点光源１２０の結像位置までの距離に対する人の瞳径の比率と等しくなるように設定し、多重像として視認されるのを回避しながら、視認不能領域ができないようにする。

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に、透過型画像表示板に現れた画像を投影させる画像表示装置に関する。

画像表示装置は、パーソナルコンピュータ、家庭用テレビ、携帯電話機、遊技機などに広く用いられており、高い解像度を有する画質のものも種々、提案されている。しかしながら、これらで表示された画像を視認するのに、今日、相当数の者がメガネ等による矯正が必要である。また、小さな文字は加齢により見づらくなっていく。このように映像の鮮鋭度は観察者の視力に依存している。また、長時間、画面を見続けることにより疲労感が増大する。視力低下も進む。一方、画像表示装置には、点光源から出射された光をレンズにより観察者の瞳に集光させて、網膜に映像を直接投影し、観察者の眼球の調節機能によらずに映像を観察者に認識させるようにしたものがある。

特許文献１には、観察者の瞳位置と点光源の結像位置とを一致させるために、観察者の瞳の位置をカメラなどにより検出・解析を行い、点状光源位置を移動させることで、移動する観察者に追随して点光源の結像位置を常に観察者の瞳に合わせるようにした技術が開示されている。
特開２００２−３１８３６５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、観察者の瞳の位置を特定し点状光出射位置を変えるための手段が必要となり、複雑となる。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、構成が簡単で観察者の移動に追随して鮮鋭度の高い画像を表示することのできる画像表示装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、透過型画像表示板に表示された画像を投影する手段として、点光源を所定位置に結像させる結像部材を設けた画像表示装置であって、
前記点光源を面方向に多数分散配置してアレイ状とした点光源アレイを設け、
該点光源アレイから前記結像部材までの距離に対する、相隣れる点光源の間隔の比率が、前記結像部材から前記所定位置までの距離に対する人の瞳径の比率とほぼ等しくなるように設定する。

図１，図２はそれぞれ請求項１に係る発明の概念を示すもので、点光源アレイ１２の点光源１２０は結像部材１３，１３Ａにより所定位置Ｆ０〜Ｆ６で結像する。所定位置Ｆ０〜Ｆ６は画像表示装置と対向する仮想の面上に位置するが、点光源１２０の数に応じて多数、分散している。前掲図は、かかる所定位置Ｆ０〜Ｆ６のうち、所定位置Ｆ０に観察者の眼球２の瞳がくるように観察者が本発明の画像表示装置と向き合ったときを示している。この場合において、点光源１２０からの光が眼球２の瞳より水晶体２１に入射して、透過型画像表示板１１の表示画像Ｄが網膜２２上に投影される。点光源１２０からの光が実質的に眼球２の水晶体２１の位置に一点集光しているため、網膜２２上の投影画像Ｉの解像度が水晶体２１の結像能力に依存しない。したがって、鮮鋭度が高い。さらに、毛様体の緊張が軽減されるので、長時間見つづけていても疲労感が少ない。

さらに、点光源アレイ１２から結像部材１３，１３Ａまでの距離に対する、相隣れる点光源１２０の間隔の比率が、結像部材１３，１３Ａから前記所定位置Ｆ０までの距離に対する人の瞳径の比率と等しくなるようにする。これにより、所定位置Ｆ０で結像する相隣れる点光源１２０の像の間隔が瞳径と等しくなるので、結像部材１３，１３Ａについて、独立して結像作用をする結像部材要素１３，１３０に注目したとき、点光源１２０のうち、観察者の瞳の位置で同時に結像する点光源は一つだけとなる。したがって、表示画像Ｄが観察者に多重に映じることはない。さらに、観察者の移動により瞳の位置が所定位置Ｆ１〜Ｆ６へ変わることにより、観察者の瞳で結像する点光源１２０は順次、隣の点光源１２０に移動していく。観察者の立場では、ある点光源１２０からの光が自己の瞳から外れると、即座に前記点光源１２０の隣の点光源１２０からの光が瞳に入ってくる。したがって、観察可能位置が1点に固定されないし、表示画像を視認不能となる観察位置が生じずに観察者が視認可能な範囲が連続し、違和感がない。このように、点光源が観察者の瞳に結像するように観察者の移動に追随して点光源が移動するのと実質的に等価な作用を奏することができる。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記結像部材はアレイ状に構成する。

前掲図２は請求項２に係る発明の概念を示している。図１では結像部材１３において独立して結像作用をする要素が単一であるのに対して、図２の結像部材１３Ａでは、独立して結像作用をする結像部材要素１３０がアレイ状に複数配置されている。これにより、請求項１に係る発明の作用と同等の作用を奏するとともに、結像部材１３Ａが薄型化し、画像表示装置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。

請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記点光源アレイまたは前記結像部材を駆動する駆動手段を具備せしめて、前記点光源アレイから前記結像部材までの距離を調整可能とする。

前記点光源アレイから結像部材までの距離が変わることで、点光源の結像位置を画像表示装置から離したり、近づけたりすることができる。これにより、観察に好適な位置の自由度を前後方向に広げることができる。

請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記点光源アレイは、各点光源ごとにオンオフの切替えが自在な光源により構成し、実質的に一部の点光源を間引くことにより前記相隣れる点光源の間隔を調整可能とする。

結像部材から所定位置までの距離に対する、人の瞳径の比率が変わるのに応じて、該比率と等しくなるように、点光源アレイから結像部材までの距離に対する、相隣れる点光源の間隔の比率を変化させることができる。これにより、観察者が前後方向に大きく移動しても観察者において多重像と視認されるのを防止することができる。また、前後方向における観察者の観察可能な範囲を広げることが可能となる。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態となる画像表示装置を図３に示す。画像表示装置は、結像部材であるマルチレンズ５、透過型画像表示板である液晶表示板３、点光源アレイ４を備える。

点光源アレイ４は、一般的な液晶表示装置に用いられるバックライト４１の観察者側に、基材に光源遮光部と光源透過部とからなる所定の模様を形成したスクリーン４２を備え
，点光源４０１を観察者６に向けて出射するものである。マルチレンズ５は、液晶表示板３の点光源４０１側に設けられ，点光源アレイ４から出射された光を観察者６の瞳の位置に集光させ、当該瞳の位置で点光源４０１を結像させる。液晶表示板３は、点光源４０１をバックライトとして観察者６の網膜に画像を投影する。スクリーン４２および点光源４０１については後述する。

マルチレンズ５は、例えば、独立して結像作用をする結像要素であるフレネルレンズをアレイ状に設けたマルチフレネルレンズが用いられる。これにより、レンズ厚が薄くなり、装置全体を薄型化、小型化が可能となる。また、マルチレンズ５には、凸レンズをアレイ状に設けた凸レンズアレイとするのもよい。なお、前掲図３ではマルチレンズ５を凸レンズアレイ様に描いているが、これに限定されるものではない。以下の実施形態において同じである。

液晶表示板３は、偏光板、透明電極を有するガラス基板、液晶材料などからなる、一般的な液晶表示装置の液晶表示板を用いることができる。

スクリーン４２および点光源４０１について説明する。図４（Ａ）は図３におけるＩＶ矢視図であり、マルチレンズ５側からみた点光源アレイ４を示している。スクリーン４２は例えばバックライト４１の観察者側の面に粘着剤等を介して取付けてもよく、スクリーン４２の前記模様は、印刷法等により形成してもよい。

本実施形態における前記模様は、前記光源遮光部たる黒地に、無数の微小な前記光源透過部たる孔パターン４２１を格子状に形成したものである。図４（Ｂ）は具体的な模様の一部を示したものであり、孔パターン４２１は、隣れる孔パターン４２１との間隔がいずれも等しい状態で位置している。したがって、点光源アレイ４は、平面上に多数の点光源４０１を分散配置したものであり、かつ、相隣れる点光源４０１の間隔は一定である。

相隣れる孔パターン４２１の間隔すなわち相隣れる点光源４０１の間隔は次のように設定する。ここでは、本画像表示装置をパーソナルコンピュータのディスプレイに適用するものとして説明する。マルチレンズ５と観察者６との間隔は５００ｍｍと想定した。また、人の瞳径の代表値は７ｍｍである。一方、マルチレンズ５の焦点距離を１００ｍｍとすれば、点光源アレイ４とマルチレンズ５との間隔ｚは、点光源４０１が観察者６位置で結像するには、（１／１００）＝（１／ｚ）＋（１／５００）より、１２５ｍｍである。このとき、点光源アレイ４からマルチレンズ５までの距離に対する、相隣れる点光源４０１の間隔の比率が、マルチレンズ５から観察者６までの距離に対する人の瞳径の比率と等しくなるようにするには、相隣れる孔パターン４２１の間隔をｘとして、ｘ／１２５＝７／５００より、ｘ＝１．７５ｍｍとする。

これにより、点光源が観察者の瞳に結像するように観察者の移動に追随して点光源が移動するのと実質的に等価な作用を奏することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態になる画像表示装置を図５に示す。本実施形態は携帯電話機用の画像表示装置に適用したものである。液晶表示板３Ａの背後に、液晶表示板３Ａ側からマルチレンズ５Ａ、点光源アレイ４Ａを配設したものである。マルチレンズ５Ａは、携帯電話機の携帯性および操作性を考慮して薄型化の可能なマルチフレネルレンズとするのがよい。

点光源アレイ４Ａを図６に示す。点光源アレイ４Ａはいわゆる有機ＥＬ素子である。図示しないガラス基板の板面に有機物の発光層４３を挟んで金属電極層４４、透明電極層４
５を設けたもので、金属電極層４４および透明電極層４５は、いずれも細い帯状に形成されたものが所定のピッチで幅方向に多数配置されている。金属電極層４４と透明電極層４５とはこれらが直交方向に伸び、マトリックス配線となっている。金属電極層４４および透明電極層４５から給電すると、金属電極層４４と透明電極層４５とが交叉する位置で前記発光層４３に発光部が現れ、格子状位置に点光源４０１Ａが多数形成される。したがって、本実施形態における点光源アレイ４Ａも第１実施形態と同様に平面上に点光源を多数分散配置したものということができる。このときの相隣れる点光源４０１Ａの間隔は金属電極層４４および透明電極層４５のピッチで規定される。

さて、携帯電話機の場合、マルチレンズ５Ａと観察者６との間隔は３００ｍｍと想定する。これは明視の距離である。また、点光源アレイ４Ａとマルチレンズ５Ａとの間隔は、携帯電話機の携帯性および操作性を考慮して８ｍｍとする。この場合、マルチレンズ５Ａは、焦点距離ｆが、（１／ｆ）＝（１／８）＋（１／３００）より、７．８ｍｍのものにより構成することになる。

このとき、点光源アレイ４Ａからマルチレンズ５Ａまでの距離に対する、相隣れる点光源４０１Ａの間隔の比率が、マルチレンズ５Ａから観察者６までの距離に対する人の瞳径の比率と等しくなるようにするには、相隣れる点光源４０１Ａの間隔をｘとして、ｘ／８＝７／３００より、ｘ＝０．１８７ｍｍとする。

（第３実施形態）
本実施形態になる画像表示装置を図７に示す。本発明を携帯電話機に適用した第２実施形態において、さらに利便性を向上させたものである。マルチレンズ５Ａと点光源アレイ４Ａとの対向方向に伸縮する駆動手段であるアクチュエータ７が設けられており、マルチレンズ５Ａと、点光源アレイ４Ａとの間の間隔を調整自在となっている。アクチュエータ７には、例えば充電量に応じて圧電作用により伸縮量が変化するピエゾスタックにより構成されたもの等が用いられ得る。

また、点光源アレイ４Ａは、駆動回路８３により所定位置の点光源４０１Ａのみ点灯可能であり、実質的に点光源４０１Ａを間引くことができる。間引きは、点光源４０１Ａが縦方向および横方向に等間隔に配置されるように、オンする点光源４０１Ａとオフする点光源４０１Ａとを設定することで、間引きの程度によらず点光源４０１Ａが面内で均一になるようにする。この場合において、点光源アレイ４Ａはパッシブマトリクス方式、アクティブマトリクス方式のいずれの方式をも採用し得るのは勿論である。

かかるアクチュエータ７および点光源アレイ４Ａは制御部８１により制御される。制御部８１がアクチュエータ７の駆動回路８２に制御信号を出力することで、点光源アレイ４Ａの駆動回路８３に制御信号を出力することで、同時にマルチレンズ５Ａと点光源アレイ４Ａとの間隔の調整と、点光源アレイ４Ａにおける相隣れる点光源４０１Ａの間隔の調整とが同時になされる。

ＣＣＤカメラ８４が液晶表示板３Ａの近傍に液晶表示板３Ａと同様に観察者と対向して配置されており、携帯電話機を操作する観察者を撮影するようになっている。ＣＣＤカメラ８４の出力信号は制御部８１に入力し、観察者像に基づいて、携帯電話機から観察者までの距離、したがって、マルチレンズ５Ａと観察者との距離が知られるようになっている。観察者が画像表示装置、したがってマルチレンズ５Ａに近づくほど、マルチレンズ５Ａと点光源アレイ４Ａとの間の間隔が広がるようにアクチュエータ７が制御される。アクチ
ュエータ７の作動量は、マルチレンズ５Ａの焦点距離をｆ、マルチレンズ５Ａと点光源アレイ４Ａとの間の間隔をｚ、マルチレンズ５Ａと観察者との検出距離をＺとして、（１／ｆ）＝（１／ｚ）＋（１／Ｚ）を満たすように設定される。これとともに、点光源アレイ４Ａの点光源４０１Ａが間引かれるように点光源アレイ４Ａが制御される。点光源４０１Ａの間引きに応じて点光源４０１Ａの密度が疎になり、相隣れる点光源４０１Ａの間隔が広くなる。このとき、相隣れる点光源４０１Ａの間隔をｘとして、ｘ／ｚ＝瞳径（７ｍｍ）／Ｚとなるように設定される。

これにより、観察者と画像表示装置との距離が変わっても、それに追随して、観察者の瞳で点光源が結像するように、かつ、観察者に映じる液晶表示板３の表示画像が二重像とならない範囲で点光源の密度がより密になるように調整されるから、前後方向に観察者の観察可能範囲が広がって、さらに使い勝手のよいものになる。

（第４実施形態）
図８に本発明の第４実施形態になる画像表示装置を示す。第１実施形態において、結像部材の構成を代えたもので、結像部材は大口径レンズ５ａとマルチレンズ５ｂとからなるタンデムレンズ５Ｂで、大口径レンズ５ａが液晶表示板３側に配置され、マルチレンズ５ｂが点光源アレイ４側に配置される。ここで、大口径レンズ５ａの焦点距離をｆ１、マルチレンズ５ｂの焦点距離をｆ２として、マルチレンズ５ｂと点光源アレイ４との間隔をｆ２に設定すれば、大口径レンズ５ａから距離ｆ１の位置が、点光源アレイ４の点光源４０１（図４（Ｂ）参照）の結像位置となる。

このように、点光源を結像させる結像部材は、複数のレンズを組み合わせてもよい。なお、図例では大口径レンズ５ａが液晶表示板３よりもマルチレンズ５ｂ側に位置しているが、大口径レンズ５ａが液晶表示板３を挟みマルチレンズ５ｂと反対側に位置するようにしてもよい。

また、第１〜第３実施形態のマルチレンズや、第４実施形態のマルチレンズと大口径レンズとを組み合わせたものの他、大口径レンズ単体でもよい。また、屈折式の結像部材だけではなく、凹面鏡やフレネル凹面鏡などの反射式の結像部材でもよい。また、ホログラムに代表される回折式の結像部材でもよい。

また、本発明は映像を投影する手段として透過型画像表示板を使ったものであれば、平面画像に限らず立体画像を表示する画像表示装置に適用することができる。

また、本発明は、パーソナルコンピュータや携帯電話機のように透過型画像表示板が予め装置内に組み込まれたものだけではなく、シャウカステンのように、透過型画像表示板であるＸ線フィルムをその都度、セットするものにも適用することができる。

また、本発明では、点光源アレイから結像部材までの距離に対する、相隣れる点光源の間隔の比率が、結像部材から点光源の結像位置までの距離に対する人の瞳径の比率と等しくなるように設定することを発明の要件としている。しかしながら、点光源アレイから結像部材までの距離に対する、相隣れる点光源の間隔の比率が、結像部材から点光源の結像位置までの距離に対する人の瞳径の比率よりも大きければ、観察者に表示画像が二重に映じるのを回避することができるので、前記の「等しい」とは、厳密に両比率が同じ値である場合だけではなく、表示画像を視認不能となる観察位置が実質的に生じず観察者に違和感が生じない範囲で、点光源アレイから結像部材までの距離に対する、相隣れる点光源の間隔の比率が、結像部材から点光源の結像位置までの距離に対する人の瞳径の比率よりも大きい場合も含む。

本発明の画像表示装置の第１の概念図である。本発明の画像表示装置の第２の概念図である。本発明の第１実施形態になる画像表示装置の要部の側面を示す図である。（Ａ）は図３におけるＩＶ矢視図であり、（Ｂ）はその一部の拡大図である。本発明の第２実施形態になる画像表示装置の要部の側面を示す図である。前記画像表示装置を構成する部材の斜視図である。本発明の第３実施形態になる画像表示装置の要部の側面および電気構成を示す図である。本発明の第４実施形態になる画像表示装置の要部の側面を示す図である。

符号の説明

１１透過型画像表示板
１２点光源アレイ
１２０点光源
１３，１３Ａ結像部材
３液晶表示板（透過型画像表示板）
４，４Ａ点光源アレイ
４０１，４０１Ａ点光源
５，５Ａ，５ｂマルチレンズ（結像部材）
６観察者
７アクチュエータ（駆動手段）

Claims

透過型画像表示板に表示された画像を投影する手段として、点光源を所定位置に結像させる結像部材を設けた画像表示装置であって、
前記点光源を面方向に多数分散配置してアレイ状とした点光源アレイを設け、
該点光源アレイから前記結像部材までの距離に対する、相隣れる点光源の間隔の比率が、前記結像部材から前記所定位置までの距離に対する人の瞳径の比率とほぼ等しくなるように設定した画像表示装置。
請求項１記載の画像表示装置において、前記結像部材はアレイ状に構成した画像表示装置。
請求項１または２いずれか記載の画像表示装置において、前記点光源アレイまたは前記結像部材を駆動する駆動手段を具備せしめて、前記点光源アレイから前記結像部材までの距離を調整可能とした画像表示装置。
請求項１ないし３いずれか記載の画像表示装置において、前記点光源アレイは、各点光源ごとにオンオフの切替えが自在な光源により構成し、実質的に一部の点光源を間引くことにより前記相隣れる点光源の間隔を調整可能とした画像表示装置。